Волновая оптика

Точное  измерение скорости света является важной практической задачей. Зная точную величину скорости света, можно вычислить  время прохождения различных  сигналов или точное расстояние до далеких объектов. Подобные методы применяются в оптической локации, светодальнометрии, в системах слежения и т. д.

Впервые определил скорость света в вакууме  датский астроном Оле Ремер в 1676 г.  

5

До этого  многие ученые считали, что световые сигналы передаются бесконечно быстро, поскольку измерить время распространения света от одного объекта до другого с помощью имевшихся у них приборов было невозможно из-за чрезвычайно малой величины этого времени. Чтобы заметить время распространения света, необходимы очень большие расстояния, сравнимые с расстояниями между небесными телами.

Ремер наблюдал за движением планеты Ио, являющейся спутником Юпитера. Заметив  положение Ио в определенной точке небосвода в некоторый момент времени и зная период обращения Ио вокруг Юпитера, он вычислил с большой точностью, в какой момент времени Ио появится в той же точке через полгода. Однако спустя полгода Ремер не обнаружил Ио на месте в ожидаемый момент времени. Она появилась там на t = 22 мин позже, так как свету понадобилось дополнительное время для прохождения расстояния, равного диаметру земной орбиты D = 3∙10¹¹ м вокруг Солнца (рис. 1). Разделив это расстояние на время запаздывания планеты Ио, Ремер с достаточно большой точностью определил скорость света в вакууме по формуле  

Рис. 1 

Поскольку в те времена диаметр земной орбиты и время запаздывания t были определены неточно, то полученная величина скорости света была весьма приближенной, однако ее порядок 10⁸ м/с был определен верно. А самое главное - была доказана конечность скорости света.

В земных условиях впервые измерил скорость света французский физик Арман  Физо в 1849 г. В опыте Физо свет от точечного источника S, помещенного в фокусе линзы Л₁, параллельным пучком лучей падал на полупрозрачную пластинку П, одна грань которой была посеребрена (рис. 2). Отражаясь от этой грани, свет попадал на зеркала З, отразившись от которого, он проходил вновь сквозь пластинку П и попадал в объектив зрительной трубы Т. На своем пути между пластинкой П и зеркалом З свет проходил между зубцами колеса К.  

Рис. 2

Колесо  к вращалось с известной частотой, причем время прохождения светом двойного расстояния между колесом К и зеркалам З (туда и обратно) было равно времени поворота колеса на половину ширины зубца, поэтому В один момент наблюдатель видел свет, а в другой - нет. Измерив минимальное время между  

6

этими моментами и расстояние между  пластиной П и зеркалом З, Физо определил скорость света в воздухе следующим образом. Пусть колесо К содержит N зубцов и пусть ширина промежутка между зубцами равна ширине зубца. Тогда время поворота колеса на половину ширины зубца t = 0,5 t_o,

где - время поворота зубца, а Т - период вращения колеса.

Поскольку

                                      

                                   (1)    
 

За это  же время t свет пройдет расстояние L от колеса К до зеркала З туда и обратно, двигаясь равномерно и прямолинейно, поэтому

                                                      

                                          (2)

Приравняем (1) и (2) и определим скорость света c:  

   
 

Измеренная  Физо скорость света оказалась равной:

c = 3, 13 ∙ 10⁸ м/с,

что значительно  точнее предыдущих измерений.

Поскольку показатель преломления воздуха  очень мал, она оказалась практически  равной скорости света в вакууме.

Другой  опыт по измерению скорости света  в земных условиях проделал американский физик Майкельсон. Он расположил свои приборы на вершинах двух гор. На вершине ОДНОЙ горы Майкельсон поместил восьмигранный зеркальный барабан Б, на одну из граней которого падал тоненький луч от источника свет S, пропущенный сквозь узкую щель в диафрагме Д (рис. 3). Отразившись от этой грани, свет проходил расстояние L между горами и падал на вогнутое сферическое зеркало аb, установленное на вершине другой горы. Отразившись от этого зеркала, он падал на плоское зеркало mn, установленного там же, потом вновь на аb. Затем свет возвращался обратно и падал на другую грань барабана Б. Отразившись от этой грани, свет попадал в зрительную трубу Т.

Рис. 3

Барабан вращался с известной частотой n, причем эта частота была такова, что за время t, пока свет проходил двойное расстояние между горами (туда и обратно), барабан успевал  

7

повернуться на 1/8 оборота. Благодаря этому следующая «порция» света от источника S попадала в точно такую же точку соседней зеркальной грани. При этом наблюдатель Н видел изображение источника S непрерывным и четким.

Зная расстояние L между горами и частоту вращения барабана n, Майкельсон вычислил скорость света с по формуле 
 
 

В современных экспериментах по определению скорости света, проводимых в лабораторных условиях, зубчатое колесо заменяют на более модернизированный прерыватель света, например, фотореле, источником света в них служит лазер, а приемником - фотоэлемент или фотоумножитель. Это позволяет получать значения скорости  света с большой точностью.

По последним  данным скорость света 

с = (299 792 456 ± 0,2) м/с. 
 

ШКАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

Радиоволны, световые волны, лучи Рентгена проявляют разные физические свойства и находят разное применение в практической деятельности людей. Радиоволны невидимы, а световые волны вызывают зрительные ощущения. Рентгеновские лучи могут проникать сквозь непрозрачные для видимого света предметы. Казалось бы, что все эти волны не имеют между собой ничего общего, однако электромагнитная теория Максвелла позволила установить, что все эти волны имеют одинаковую природу: все они представляют собой электромагнитные волны с разной частотой (или длиной волны).

Электромагнитные  волны разных частот, будучи расположены в определенном порядке по мере возрастания их частоты или убывания длины волны (ведь n= c/λ) образуют шкалу электромагнитных волн (рис. 4)

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 4

В начале шкалы располагаются волны низкой частоты, излучаемые цепями переменного тока, с частотой 50 Гц и, соответственно, с длиной волны  

8

Из-за малой  частоты энергия таких волн невелика, поэтому они не способны распространяться на большие расстояния. К волнам низкой частоты относят и электромагнитные волны звуковой частоты с диапазоном частот от 20 до 20 000 Гц.

С увеличением частоты (или с уменьшением длины волны) происходит переход к радиоволнам с диапазоном длин волн от 10⁶ м до десятых долей миллиметра. Километровые радиоволны называют длинными. Они способны огибать земные рельефы, поэтому их применяют для радиосвязи на больших расстояниях. Радиоволны с длиной волны от 1 км до 100 м называют средними. С их помощью также осуществляют радиосвязь на больших расстояниях. Радиоволны с длиной волны от 100 до 10 м называют короткими. Они способны распространяться на большие расстояния благодаря многократному отражению от ионосферы и поверхности Земли, поэтому с их помощью можно осуществлять радиосвязь с любыми радиостанциями па Земле. Радиоволны с длиной волны от 10 до 1 м называют ультракороткими (УКВ). Они способны проникать сквозь верхние слои атмосферы и совсем не огибают земные рельефы. Такие радиоволны используют для связи с космическими объектами, а также для радиосвязи в пределах прямой видимости.

Все выше названные электромагнитные волны излучаются макроскопическими вибраторами, т. е. колебательными контурами больших размеров, состоящими из огромного количества атомов.

Электромагнитные  волны сантиметровой и миллиметровой длины называют сверхвысокочастотными (СВЧ) волнами. Они перекрываются на своем коротковолновом конце со световыми инфракрасными волнами, излучаемыми микрообъектами, т. е. возбужденными атомами. Волны с длиной волны 50 мк можно получить как с помощью колебательного контура и тогда они будут называться радиоволнами, так и посредством нагревания тел, т.е. с помощью микрообъектов - возбужденных атомов, и тогда они называются световыми волнами инфракрасного диапазона. Сравнительно недавно на этом месте шкалы еще имелся пробел. Большая заслуга в его ликвидации принадлежит нашему ученому Александре Андреевне Глагольевой - Аркадьевой, создавшей оригинальный излучатель, способный генерировать волны с длиной волны от сантиметровых до десятых долей миллиметра.

Инфракрасные  волны, принадлежащие длинноволновой границе световых волн, перекрываются с СВЧ - радиоволнами. 3а ними следуют световые волны видимого спектра с длиной волны от 7·10^-7 м у волн красного цвета до 4·10^-7 м у волн фиолетового света. Между ними располагаются все остальные волны видимого спектра по порядку возрастания их частоты или убывания длины волны: оранжевые, желтые, зеленые, голубые, синие. 3а видимой фиолетовой границей спектра располагаются невидимые ультрафиолетовые волны с длиной волны от 4·10^-7 до 10^-8 м.

С ультрафиолетовой областью шкалы смыкается участок, соответствующий рентгеновскому  излучению и охватывающий диапазон длин волн от 10^-8 до 10^-11 м. Сначала идут мягкие рентгеновские лучи, затем - жесткие.

Область жестких рентгеновских лучей  перекрывается с областью гамма -  лучей, возникающих при ядерном распаде. Гамма - лучам соответствуют волны с длиной волны менее 10^-11 м. Поскольку области рентгеновских лучей и гамма - лучей перекрываются, их различают по способу получения: если они возникают в рентгеновской трубке, то это - рентгеновские лучи, а если при распаде ядра, то – гамма - лучи, хотя они представляют собой одни и те же электромагнитные волны с одинаковой длиной волны.

9

Шкала электромагнитных волн не имеет ни начала, ни конца. Она представляет собой спектр электромагнитных волн различных частот, которые были открыты и изучены человеком в процессе освоения им окружающего мира.

Электромагнитные  волны разных частот, имея одинаковую природу, обладают разными физическими свойствами и поэтому по-разному проявляют себя. С увеличением частоты у них появляются все новые и новые свойства. Так, радиоволны способны переносить информацию, а световые волны - нагревать предметы, вызывать зрительное ощущение. Ультрафиолетовые световые волны могут вызывать фотоэффект, т. е. выбивать свободные электроны у многих металлов и вызывать люминесценцию разных веществ. Рентгеновские лучи обладают проникающей способностью, не свойственной остальным  электромагнитным волнам с меньшей, чем у них, частотой. Еще более разнообразными свойствами обладают гамма - лучи.

Таким образом, с увеличением количества - частоты - у электромагнитных волн появляется новое качество - новые физические свойства. Поэтому шкала электромагнитных волн является ярким проявлением одного из основных законов материалистической диалектики - закона перехода количества в качество.  

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА

Интерференцией  света называют явление  наложения световых волн друг на друга, приводящее к перераспределению энергии волн в пространстве, в результате чего происходит усиление или ослабление света.

Интерференция света подтверждает его волновые свойства. Для наблюдения интерференции волны от разных источников должны быть когерентными, т. е. у них должна быть одинаковая частота или фаза (или постоянная разность фаз). Тогда колебания вектора напряженности Е (или вектора магнитной индукции В) в таких световых волнах будут происходить согласованно. При этом условии, если разность хода ∆r таких волн будет содержать целое число k (или т) волн (или четное число полуволн), то в месте их наложения будет наблюдаться максимум, т. е. усиление света. Наполним условие максимума при интерференции: